Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
RESUMOS QUÍMICA GERAL E QUÍMICA ANALÍTICA 2 Sumário 1. PRINCÍPIOS DA ANÁLISE GRAVIMÉTRICA ................................................................. 7 1.1 Gravimetria por precipitação ................................................................................... 7 1.2 Reagentes de precipitação ...................................................................................... 8 1.3 Tamanho de partículas e filtração de precipitados ............................................. 8 1.4 Mecanismo de formação do precipitado ............................................................... 9 1.5 Mecanismo de formação do precipitado ............................................................... 9 1.6 Controle experimental do tamanho das partículas ............................................. 9 1.7 Precipitados coloidais ............................................................................................ 10 1.8 Precipitados cristalinos .......................................................................................... 11 1.9 Coprecipitação ......................................................................................................... 11 1.10 Precipitação a partir de uma solução homogênea ............................................ 11 1.11 Secagem e calcinação de precipitados ............................................................... 12 2 ANÁLISE POR COMBUSTÃO ........................................................................................ 12 3 APLICAÇÕES DOS MÉTODOS GRAVIMÉTRICOS .................................................... 13 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................................. 13 5 Bibliografia ....................................................................................................................... 14 1. Generalidades sobre a técnica de espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado ........................................................................................................ 16 2. Instrumentação para ICP-MS ........................................................................................ 17 2.1 Sistema de introdução de amostra................................................................... 17 2.2 Plasma indutivamente acoplado ....................................................................... 18 2.3 Analisador ............................................................................................................. 18 2.3.1 Analisadores Quadrupolares de Massas..................................................... 18 2.3.2 Analisadores de Tempo de Voo .................................................................... 18 2.4 Detectores ............................................................................................................. 19 3. Interferências ............................................................................................................ 19 3.1 Não espectrais ...................................................................................................... 19 3.2 Espectrais .............................................................................................................. 19 4. Aplicações da espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado ............................................................................................................................ 20 5. Considerações finais ...................................................................................................... 20 6. Referências bibliobráficas ............................................................................................. 21 1. FUNDAMENTOS DA ANÁLISE VOLUMÉTRICA ......................................................... 23 3 2. TÉCNICAS VOLUMÉTRICAS ......................................................................................... 25 2.1 Volumetria de neutralização .................................................................................. 25 2.1.1 Titulação de ácido forte com base forte ...................................................... 26 2.1.2 Titulação de ácido fraco com base forte ..................................................... 26 2.1.3 Titulação de base fraca com ácido forte ..................................................... 26 2.1.4 Titulação de ácidos polipróticos ................................................................... 27 2.2 Volumetria de precipitação .................................................................................... 27 2.2.1 Métodos argentimétricos ................................................................................ 29 2.3 Volumetria de oxidação-redução .......................................................................... 29 2.4 Volumetria de complexação .................................................................................. 31 3. Aplicação da análise volumétrica ................................................................................ 32 4. Considerações finais ...................................................................................................... 33 5. Bibliografia ....................................................................................................................... 33 1. Princípios sobre as ligações químicas ....................................................................... 35 2. Ligações químicas .......................................................................................................... 35 2.1 Ligações iônicas ...................................................................................................... 35 2.2 Ligações covalentes ............................................................................................... 37 2.3 Ligações iônicas versus ligações covalentes ................................................... 38 3. Forças e comprimentos das ligações covalentes..................................................... 38 4. Ligação química e estrutura molecular....................................................................... 39 4.1 Modelo da repulsão dos pares de elétrons da camada de valência (VSPER) 39 4.2 Teoria da ligação de valência (VB) ....................................................................... 40 4.3 Teoria dos orbitais moleculares (MO).................................................................. 41 5. Considerações finais ...................................................................................................... 42 6. Referencias ....................................................................................................................... 42 1. Generalidades sobre equilíbrios químicos ................................................................ 44 2. Resposta dos equilíbrios frente a mudança de condições ..................................... 45 2.1 Adição ou remoção de reagentes ......................................................................... 46 2.2 Compressão de uma mistura de reação ............................................................. 46 2.3 Temperatura .............................................................................................................. 46 2.4 Catalisadores ............................................................................................................ 47 3. Equilíbrio iônico .............................................................................................................. 47 4 4. Aplicações dos princípios de equilíbrio químico e equilíbrio iônico em nosso cotidiano ................................................................................................................................... 48 5. Considerações finais ......................................................................................................49 6. Bibliografia ....................................................................................................................... 49 1. PRINCÍPIOS DOS MÉTODOS ABSORCIOMÉTRICOS ............................................... 51 1.1 ESPECTROMETRIA DE ABSORÇÃO ATÔMICA................................................. 52 1.2 ESPECTROMETRIA DE ABSORÇÃO MOLECULAR .......................................... 52 1.3 INSTRUMENTAÇÃO PARA AS TÉCNICAS ABSORCIMÉTRICAS ................... 53 1.3.1 Tipos de fontes ....................................................................................................... 55 1.3.2 Recipientes para amostra (espectrometria de absorção molecular) ........... 55 1.3.3 Tipos de atomizadores ......................................................................................... 56 1.3.4 Monocromadores ................................................................................................... 58 1.3.5 Detectores ............................................................................................................... 59 2. INTERFERÊNCIAS ........................................................................................................... 59 3. APLICAÇÕES DA ESPECTROMETRIA DE ABSORÇÃO MOLECULAR E ATÔMICA .................................................................................................................................. 60 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................................. 61 5. REFERÊNCIAS ................................................................................................................. 61 1. ESTRUTURA ATÔMICA .................................................................................................. 63 1.1 Modelo nuclear do átomo ............................................................................................ 63 1.2 Radiação eletromagnética........................................................................................... 63 1.3 Espectros de linha e o modelo de Bohr ................................................................... 63 1.4 Mecânica quântica e os orbitais atômicos .............................................................. 65 1.5 Configurações eletrônicas .......................................................................................... 66 2. Estrutura eletrônica e tabela periódica ....................................................................... 66 2.1 Raio atômico e raio iônico .......................................................................................... 67 2.2 Energia de ionização .................................................................................................... 67 2.3 Afinidade eletrônica ..................................................................................................... 68 3. Considerações finais ...................................................................................................... 68 4. Bibliografia ....................................................................................................................... 69 1. Princípios da técnica de espectrometria de emissão atômica ............................... 71 1.1 Fotometria de chama........................................................................................... 71 1.2 Espectrometria de emissão atômica com plasma indutivamente acoplado 72 5 1.3 Interferências ........................................................................................................ 72 1.4 Aplicações da espectrometria de emissão atômica...................................... 73 2. Princípios da técnica de espectrometria de emissão molecular ....................... 73 2.1 Instrumentação para espectrometria de emissão atômica e molecular ... 74 2.2 Aplicações de espectrometria de emissão molecular .................................. 76 3. Considerações finais ...................................................................................................... 76 4. Referências bibliobráficas ............................................................................................. 77 1. Tipos de erros, precisão e exatidão ............................................................................ 79 2. Distribuição Gaussiana .................................................................................................. 80 3. Intervalos de confiança .................................................................................................. 80 3.1 Teste t de Student .................................................................................................... 81 3.2 Teste F ....................................................................................................................... 81 3.3 Teste Q para dados incorretos .............................................................................. 81 4. Considerações finais ...................................................................................................... 82 5. Referências ....................................................................................................................... 82 1. Amostragem ..................................................................................................................... 84 2. Preparo de amostras ...................................................................................................... 86 2.1 Tratamentos preliminares ........................................................................................... 86 2.2 Métodos tradicionais empregados no preparo de amostras .......................... 87 2.2.1 Dissolução (ou solubilização) em meio ácido ou alcalino............................. 87 2.2.2 Digestão (Decomposição por Via Úmida) ......................................................... 88 2.2.3 Abertura (Decomposição por Via Seca) ............................................................ 90 2.2.4 Decomposição assistida por ultrassom ............................................................ 93 2.2.5 Extração líquida ..................................................................................................... 93 2.2.6 Extração em fase sólida ....................................................................................... 94 3. Aplicações dos métodos de preparo de amostra ..................................................... 94 4. Considerações finais ...................................................................................................... 94 5. Referências bilbiográficas ............................................................................................. 95 6 Apresentação do tema Os métodos gravimétricos são quantitativos e se baseiam na determinação da massa de um composto puro ao qual o analíto está quimicamente relacionado. Os métodos gravimétricos de análise baseiam-se em medidas de massa feitas com uma balança analítica, instrumento que fornece dados altamente exatos e precisos. A formação e o crescimento de precipitados e cristais são muito importantes na química analítica e em outras áreas da ciência. Sabe-se que a supersaturação leva à formação de partículas pequenas, difíceis de serem filtradas, então na análise gravimétrica é desejável minimizar a supersaturação e assim, aumentar o tamanho das partículas de sólido formadas. A seguir são apresentados alguns métodos que baseados em medidas de massa: Gravimetria de precipitação: o analito é separado de uma solução da amostra como um precipitado e é convertido a uma espécie de composição conhecida que pode ser pesada. Gravimetria de volatilização: o analito é isolado dos outros constituintes da amostra pela conversão a um gás de composição química conhecida. Eletrogravimetria: o analito é separado pela deposição em um eletrodo por meio do uso deuma corrente elétrica. A massa desse produto fornece então uma medida da concentração do analito. Titulação gravimétrica: a massa do reagente (de concentração conhecida) que reage com o analito, fornece a informação necessária para determinar a concentração do analito. Espectrometria de massas atômicas: emprega um espectrômetro de massas para separar os íons gasosos formados a partir dos elementos que compõe uma amostra da matéria. A concentração dos íons resultantes é então determinada pela medida da corrente elétrica produzida quando esses íons atingem a superfície de um detector iônico. Os procedimentos gravimétricos tradicionais são essencialmente manuais e trabalhosos. Apesar de ser muito demorada, a análise gravimétrica continua sendo usada. As vantagens são: 1) Elevada precisão e exatidão, se forem usadas balanças analíticas modernas; 2) É fácil identificar possíveis fontes de erro porque os filtrados podem ser testados para avaliar o término da precipitação e os precipitados podem ser analisados quanto à presença de impurezas; 3) É um método absoluto, isto é, envolve uma medida direta, sem necessidade de calibração; 4) As determinações podem ser feitas com aparelhagem relativamente barata. Os itens caros são os fornos elétricos e os cadinhos de porcelana. Neste capítulo será abordado o procedimento de gravimetria por precipitação, usado na produção e separação de substâncias que contém o elemento ou o composto de interesse, normalmente por precipitação em formas relativamente fáceis de manipular. 7 1. PRINCÍPIOS DA ANÁLISE GRAVIMÉTRICA A base da análise gravimétrica é a passagem de uma substância obtida pela precipitação de uma solução, ou volatilizada e subsequentemente absorvida. A análise gravimétrica é um método macroscópico que envolve, normalmente, amostras relativamente grandes em comparação com outros procedimentos analíticos quantitativos. É possível obter alto grau de acurácia e, mesmo nas condições normais de laboratório, alcançar resultados reprodutíveis com margem de 0,3 a 0,5%. Existem duas áreas principais de aplicação dos métodos gravimétricos: 1) A análise de padrões, para uso no teste e calibração de técnicas instrumentais. 2) A análise de alta precisão. O tempo necessário para a análise gravimétrica, entretanto, limita esta aplicação a um número pequeno de determinações. É essencial que, no método escolhido, a forma do precipitado do elemento ou íon a ser determinado seja muito pouco solúvel e que não ocorram perdas apreciáveis durante a separação por filtração e pasagem do precipitado. Ainda, às vezes, é necessário coagular ou flocular a dispersão coloidal de um precipitado sólido finamente dividido para permitir a filtração e impedir a repeptização durante a lavagem. Outra dificuldade que pode ocorrer é a supersaturação. A concentração do soluto em uma solução supersaturada é maior do que o esperado para a situação de equilíbrio em uma dada temperatura, é portanto um estado instável. O estado de equilíbrio pode ser estabelecido por adição de um cristal do soluto puro ou por estímulo do início da cristalização, por exemplo, raspando o interior do frasco. Após obtenção e filtração, o precipitado ainda precisa ser tratado. A calcinação de precipitados leva comumente à decomposição térmica, envolvendo a dissociação de sais em ácidos e bases como, por exemplo, a decomposição de carbonatos e sulfatos. As temperaturas de decomposição dependem, obviamente, das estabilidades térmicas. As temperaturas de secagem e calcinação dos precipitados para a obtenção do composto químico desejado podem ser determinadas pelo estudo das curvas termogravimétricas de cada substância (gráfico que relaciona a massa com a temperatura). 1.1 Gravimetria por precipitação Na gravimetria por precipitação, o analito é convertido a um precipitado pouco solúvel. Então esse precipitado é lavado para remoção das impurezas, convertido a um produto de composição conhecida por meio de um tratamento térmico adequado e pesado. Por exemplo, um método de precipitação para determinação de cálcio em águas naturais, para isso, um excesso de ácido oxálico é adicionado à uma solução aquosa contendo a amostra, daí adiciona-se amônia, o que neutraliza o ácido e provoca a precipitação completa de cálcio presente na amostra na forma de oxalato de cálcio. 2NH3 + H2C2O4 2NH4+ + C2O42- Ca(aq)2+ + C2O4(aq)2- CaC2O4(s) 8 Então, o precipitado é filtrado, utilizando-se um cadinho de filtração, previamente pesado e depois é seco e calcinado. Esse processo converte completamente o precipitado a óxido de cálcio CaC2O4(s) CaO(s) + CO(g) + CO2(g) Após o resfriamento, o cadinho e o precipitado são pesados e a massa de óxido de cálcio é determinada pela subtração da massa conhecida do cadinho. O conteúdo em cálcio da amostra é calculado 56,077 g de CaO ------- 40 g de Ca2+ Massa pesada ----------x X -----200 mL de amostra Y -----100 mL de amostra Yg% 1.2 Reagentes de precipitação As precipitações gravimétricas são quase sempre feitas com um número limitado de reagentes orgânicos, embora algumas determinações bem conhecidas, como a de bário (como sulfato) ou de chumbo (como cromato), envolvem o uso de reagentes inorgânicos. Os reagentes orgânicos têm a vantagem de produzir compostos pouco solúveis, normalmente coloridos, cujas massas moleculares relativas são elevadas. Isso significa que se obtèm uma quantidade de precipitado maior, a partir de uma pequena quantidade de íons a determinar. O reagente orgânico ideal de precipitação deve ser específico (deve formar um precipitado apenas com um íon em particular) e seletivo (reagem com um número limitado de espécies). Este ideal é raramente atingido. O controle das condições experimentais, entretanto, torna frequentemente possível a precipitação de apenas um dos íons do grupo. Às vezes, o precipitado resultante pode ser pesado após secagem na temperatura adequada. Em outros casos, a composição do precipitado não é bem definida e a substância tem de ser convertida (por calcinação) ao óxido do metal. Em alguns poucos casos, pode-se usar um método titrimétrico que utiliza o complexo orgânico precipitado quantitativamente. Uma classificação rígida dos reagentes orgânicos é difícil. Os mais importantes são os que formam quelatos complexos, com um ou mais anéis (normalmente de 5 ou 6 átomos, incluíndo o íon metálico). A formação de anéis aumenta consideravelmente a estabilidade. Os reagentes: dimetil-glioxima, cupferron, 8- hidróxi-quinolina (oxina), α-Oxima da Benzoína e ácido antranílico são reagentes típicos dos quelantes usados na análise de metais. 1.3 Tamanho de partículas e filtração de precipitados Os precipitados constituídos por partículas grandes são geralmente desejáveis nos procedimentos gravimétricos porque essas partículas são fáceis de filtrar e de lavar visando a remoção de impurezas. Além disso, os precipitados desse tipo são geralmente mais puros que aqueles formados por partículas pequenas. O tamanho das partículas de sólidos formados varia enormemente, ou seja, é possível obter uma suspensão coloidal, cujas minúsculas partículas são invisíveis a olho nu. As partículas coloidais não apresentam tendência de decantar a partir de 9 soluções e não são facilmente filtradas. Por outro lado, estão as partículas com as dimensões da ordem de décimos de milímetros ou maiores, chamadas suspensão cristalina. As partículas de uma suspensão cristalina tende a decantar espontaneamente e são facilmente filtradas. Os tamanhos das partículas do precipitado é influenciado pela solubilidade do precipitado, pela temperatura, pelas concentrações dos reagentes e pela velocidade com que os reagentes são misturados. O efeito líquido dessas variáveis pode ser estimado considerando que o tamanho da partícula esteja relacionado a uma única propriedade do sistema denominada supersaturação relativa:𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎çã𝑜 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎 = 𝑄 − 𝑆 𝑆 Onde Q = a concentração do soluto e S a solubilidade no equilíbrio. Quando a supersaturação relativa é grande, o precipitado tende a ser coloidal; quando a supersaturação relativa apresenta um valor pequeno, a formação de um sólido cristalino é mais provável. 1.4 Mecanismo de formação do precipitado O efeito de supersaturação relativa no tamanho da partícula pode ser explicado se considerarmos que os precipitados são formados por dois processos: por nucleação e por crescimento da partícula. O tamanho da partícula do precipitado é determinado pelo mecanismo predominante. Na nucleação, alguns íons, átomos ou moléculas se juntam para formar um sólido estável. A precipitação posterior então envolve uma competição entre a nucleação adicional e o crescimento dos núcleos existentes (crescimento da partícula). Se a nucleação predomina, formam-se um grande número de pequenas partículas; Se o crescimento predomina, um número pequeno de partículas grandes é produzido. 1.5 Mecanismo de formação do precipitado A cristalização é um processo que ocorre em duas fases: a nucleação e o crescimento da partícula. Durante a nucleação acredita-se que os solutos formam um agregado desordenado, que posteriormente se converte em uma estrutura ordenada capaz de crescer, formando partículas maiores. No crescimento da partícula, moléculas ou íons condensam-se sobre o núcleo, formando um cristal de tamanho maior. 1.6 Controle experimental do tamanho das partículas Variáveis experimentais que minimizam a supersaturação, e produzem os precipitados cristalinos incluem temperaturas elevadas para aumentar a solubilidade do precipitado, soluções diluídas (para minimizar o valor de Q) e a adição lenta do agente precipitante, sob agitação eficiente. Se a solubilidade do precipitado também depende do pH, partículas maiores também podem ser produzidas controlando-se o pH. Precipitados que apresentam solubilidades muito baixas, como por exemplo, óxido hidratado de ferro III, alumínio e cromo (III) e os sulfetos da maioria dos íons de metais pesados. 10 1.7 Precipitados coloidais As soluções coloidais são extremamente pequenas e não podem ser retidas em filtros comuns, além disso o movimento browniano não deixa as partículas decantarem. Uma forma de contornar esse problema é coagular ou aglomerar as partículas a fim de gerar uma massa amorfa filtrável que irá decantar. A coagulação pode ser obtida por aquecimento, agitação e pela adição de um eletrólito ao meio. Porém as suspensões coloidais são estáveis, já que os íons (com cargas opostas) retidos na superfície de um sólido através do processo de adsorção e uma segunda camada de íons (com cargas opostas aos íons adsorvidos) chamada de camada do contraíon forma uma dupla camada elétrica que é responsável pela estabilidade da solução coloidal. As suspensões coloidais não coagulam espontaneamente, mas pode ser alcançada utilizando um curto período de aquecimento, particularmente se acompanhado de agitação. O aquecimento diminui o número de íons adsorvidos e a espessura da dupla camada e também é possível adicionar um eletrólito em solução, o que promove uma redução do tamanho da camada do contraíon, e então as partículas podem se aproximar mais uma das outras e sofrer aglomeração. Os precipitados que possuem solubilidade muito baixas, como por exemplo, muitos sulfetos e óxidos hidratados, geralmente são coloidais. As partículas coloidais individuais são tão pequenas que não podem ser retidas por filtros comuns. Entretanto, podemos coagular ou aglomerar as partículas individuais da maioria dos colóides para gerar uma massa amorfa filtrável que irá se decantar. Peptização é o processo pelo qual um colóide coagulado é revertido ao seu estado disperso original. Quando um coloide coagulado é lavado, parte do eletrólito responsável pela sua coagulação é lixiviado, e com a remoção do eletrólito a camada do contraíon aumenta, e assim as partículas tendem a se desprender uma das outras e fazem com que o coloide permaneça em solução. Deparamo-nos com um dilema ao ao se trabalhar com os coloides coagulados: por um lado é necessário a etapa de lavagem para minimizar a contaminação, mas há riscos de perdas resultantes se a água for utilizada. Este problema, normalmente, é resolvido pela lavagem do precipitado com uma solução contendo um eletrólito que se volatiliza 11 quando o precipitado é seco ou calcinado. Um exemplo é o precipitado de cloreto de prata que normalmente é lavado com uma solução diluída de ácido nítrico, pois o ácido nítrico é removido na etapa de secagem. A filtrabilidade de um coloide coagulado frequentemente melhora quando o deixamos descansar por uma hora aproximadamente em contato com a solução a partir da qual foi formado, pocesso é conhecido por digestão. Durante esse processo, moléculas de água fracamente ligadas parecem se desligar do precipitado, formando uma massa mais densa que pode ser filtrada com maior facilidade. 1.8 Precipitados cristalinos Os precipitados cristalinos são geralmente mais facilmente filtrados e purificados quando comparados aos precipitados coloidais. O tamanho da partícula de um sólido cristalino muitas vezes pode ser melhorado pela minimização de Q (usando soluções diluídas e adição lenta e sob agitação do agente precipitante) ou pela maximização de S (usando uma solução a quente ou pelo ajuste do pH do meio contendo o precipitado). A digestão melhora a filtrabilidade tanto dos precipitados coloidais quanto dos precipitados cristalinos. 1.9 Coprecipitação As impurezas adsorvidas, oclusas e inclusas são conhecidas como co- precipitado, ou seja, a impureza é precipitada juntamente com o produto desejado, mesmo que o limite de solubilidade da impureza ainda não tenha sido ultrapassado. As impurezas adsorvidas estão ligadas à superfície de um cristal; As impurezas absorvidas (que estão dentro do cristal) são classificadas como inclusões quando a impureza ocupa um sítio ativo no retículo cristalino, ou oclusões quando as impurezas encontram-se presas dentro do cristal em crescimento. A co-precipitação tende a ser maior em precipitados coloidais (que apresentam área superficial grande). Diversos procedimentos envolvem a remoção da solução- mãe, redissolvendo o precipitado e reprecipitando o produto. Durante a segunda precipitação a concentração das impurezas na solução é menor do que durante a primeira precipitação, e o grau de co-precipitação tende a ser menor. A reprecipitação aumenta a pureza de alguns precipitados 1.10 Precipitação a partir de uma solução homogênea A precipitação a partir de uma solução homogênea é uma técnica na qual um agente precipitante é gerado em uma solução contendo o analito por intermédio de uma reação química lenta (agente precipitante é gerado gradativamente e homogeneamente na solução e reage imediatamente com o analito). Em geral, os precipitados formados homogeneamente, tanto coloidais quanto cristalinos, são mais adequados para análises que os sólidos formados pela adição direta de um reagente precipitante, isso porque os precipitados formados a partir de uma solução homogênea são geralmente mais puros e mais fáceis de serem filtrados que os precipitados formados por meio da adição direta do reagente à solução do analito. 12 1.11 Secagem e calcinação de precipitados Após a filtração, um precipitado gravimétrico é aquecido até que sua massa se torne constante. O aquecimento remove o solvente e qualquer espécie volátil arrastada com o precipitado. Alguns precipitados também são calcinados para decompor o sólido e para formar um composto de composição conhecida. Esse novo composto é muitas vezes chamado FORMA DE PESAGEM. A temperatura requerida para produzir formas de pesagens adequadas varia de precipitado para precipitado. As termobalanças automáticas são instrumentos queregistram a massa de uma substância continuamente à medida que a temperatura é elevada a uma velocidade constante. O processo de registro de curvas de decomposição térmica é denominado análise termogravimétrica e a curva da massa versus temperatura é chamada termograma. Os resultados de uma análise gravimétrica são geralmente calculados a partir de medidas experimentais, a massa da amostra e a massa de um produto de composição conhecida. Os métodos gravimétricos não requerem uma etapa de calibração ou padronização (como todos os outros procedimentos analíticos, exceto a coulometria) porque os resultados são calculados diretamente a partir dos dados experimentais e massas atômicas. Assim, quando apenas uma ou duas amostras devem ser analisadas, um procedimento gravimétrico pode ser o método escolhido, uma vez que se requer menos tempo e esforço que um procedimento que demande preparação de padrões e calibração. 2 ANÁLISE POR COMBUSTÃO Uma forma históricamente importante de análise gravimétrica foi a análise por combustão, usada para determinar o teor de carbono e hidrogênio de compostos orgânicos queimados em excesso de O2. Em vez das pesagens dos produtos de combustão, os instrumentos modernos usam, a condutividade térmica, absorção no IV, fotometria de chama (para enxofre) e a coulometria (para halogênios). Na análise gravimétrica por combustão, o produto parcialmente queimado passa através de um catalisador, que pode ter uma tela de Pt, CuO, PbO2, MnO2 em temperatura suficientemente elevada, de modo a ocorrer uma oxidação completa a CO2 e H2O. Os produtos de combustão passam por um recipiente contendo P4O10, que absorve água e a seguir por um recipiente contendo ascarita (NaOH em amianto), que absorve CO2. O aumento de massa, em cada um dos recipientes, corresponde à quantidade de hidrogênio e de carbono, respectivamente, presentes na amostra inicial. Um tubo de proteção evita que a H2O e o CO2 provenientes do ar atmosférico entrem nos recipientes. Inicialmente pesa-se, com precisão, 2 mg de amostra, que são selados dentro de uma cápsula de estanho ou prata. O analisador é varrido com gás He, previamente tratado para remover traços de O2, H2O e CO2. No início da corrida, um volume de O2 medido em excesso é adicionado ao fluxo de He. A seguir, a cápsula da amostra é colocada dentro de um cadinho de porcelana pré-aquecido, onde a cápsula funde e a amostra é rapidamente oxidada. 13 Os produtos passam pelo catalisador de WO3, suficientemente quente para completar a combustão de todo carbôno a CO2. Na região seguinte, Cu metálico , a 850 ºC reduz SO3 a SO2, e remove o excesso de O2. A mistura CO2, H2O, N2 e SO2 é separada por cromatografia a gás, e a concentração de cada componente é determinada por um detector de condutividade térmica. Alternativamente, CO2, H2O e SO2 podem ser determinados por absorbância na região do IV. 3 APLICAÇÕES DOS MÉTODOS GRAVIMÉTRICOS Os métodos gravimétricos tem sido desenvolvidos para a maioria dos cátions e ânions inorgânicos, como também para espécies neutras como água, SO2, CO2 e iodo. Uma grande variedade de substâncias orgânicas também podem ser facilmente determinadas gravimétricamente, tais como: Lactose em derivados de leite Silicatos em preparações farmacêuticas Fenoftaleína em laxantes Nicotina em pesticidas Colesterol em cereais Benzaldeído em extrato de amêndoas Os métodos gravimétricos estão entre os mais amplamente aplicados de todos os métodos analíticos. 4 CONSIDERAÇÕES FINAIS Neste capítulo foram abordadas os principais fundamentos envolvidos nos métodos gravimétricos de análise empregando atécnica de gravimetria por precipitação. De uma maneira geral, as análises são baseadas em efeitos de solubilidade, precipitação e determinação da massa. A gravimetria é classificada como método cássico de análise, já que envolve a estequiometria da reação envolvida, e a medida é feita através da determinação da massa do composto no qual o analito está quimicamente relacionado. Embora seja um método lento que envolve várias etapas experimentais, ainda é muito utilizado pois apresenta uma boa exatidão e precisão da medida e não necessita de ensaios de calibração instrumental como a maioria dos métodos utilizados na área de química analítica, além de requerer uma instrumentação relativamente barata do que quando comparado aso métodos instrumentais de análise. 14 5 Bibliografia VOGEL, A. Análise Química Quantitativa, 6ª ed., LTC Editora, Rio de Janeiro, 2002. 448p. HARRIS D. C. Explorando a Química Analítica, 4ª ed., LTC Editora, Rio de Janeiro, 2011. 568p. SKOOG, D. A.; West, D. M.; Holler F. J.; Crouch, S. R. Fundamentos De Química Analítica. Trad. 8. Ed. São Paulo: Thomson Learning, 2006. Preparo da solução Precipitação Digestão Filtração Lavagem Secagem/calcinação Pesagem Cálculos Reagente precipitante (seletivo reagem com n° limitado de espécies, como a Ag+) ou específico (como a dimetilglioxima para formar precipitado apenas com o Ni Características da precipitação: Nucleação: forma muitas partículas pequenas devido a agregação de espécies Crescimento das partículas: forma poucas partículas grandes devido a sobreposição de partículas no agregado (importante na gravimetria pois são facilmente filtradas) Precipitado fica em contato durante 1 h com a solução-mão (a partir da qual foi formado), assim as moléculas de água fracamente ligada se desprendem, melhorando a filtração A solução é filtrada (filtração comum ou à vácuo) e o sólido é o objeto de estudo Para remover as impurezas Para a secagem/calcinação estufa ou muflas (mais usadas), com aquecimento as impurezas evaporam e permanece só o precipitado. Depois de seco, o material é levado ao dessecador para resfriar e evitar a hidratação 15 Apresentação do tema Duas técnicas podem ser utilizadas para a determinação elementar por meio do fenômeno de emissão atômica. A técnica espectrometria de emissão óptica com plasma indutivamente acoplado (ICP-OES) baseia-se na medição da radiação eletromagnética emitida por átomos ou íons excitados pelo plasma nas regiões do espectro visível e ultravioleta. Já a técnica de espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado (ICP-MS) baseia-se na medição do número de íons gerados quando a amostra, que passa por nebulização prévia, é aquecida pelo plasma e estes são separados por um campo magnético de acordo com suas proporções massa/carga. A espectrometria de massa atômica consiste em uma ferramenta versátil e largamente usada na identificação dos elementos presentes em amostras e na determinação de suas concentrações. Quase todos elementos podem ser determinados por espectrometria de massa. Frente aos métodos de espectrometria óptica, ou seja, uso de dispositivos que isolam radiações com comprimentos de onda de interesse, a espectrometria de massa oferece muitas vantagens e destacam-se: os baixos limites de detecção, obtenção de espectros consideravelmente simples, que são normalmente únicos e na maioria das vezes de fácil interpretação e a possibilidades de medir razões isotópicas atômicas. Por outro lado, como desvantagens pode-se destacar o custo elevado dos instrumentos e alguns tipos de interferências que a técnica é suseptível. Neste capítulo serão abordados alguns conceitos relacionados à técnica de espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado, a instrumentação utilizada, os tipos de interferencias que podem ocorrer e algumas aplicações desta técnica instrumental. 16 1. Generalidades sobre a técnica de espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado Desde o início dos anos 1980, a espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado (ICP-MS) cresceu e tornou-se uma das mais importantes técnicas de análise elementar devido aosbaixos limites de detecção para a maioria dos elementos, ao seu elevado grau de seletividade e a sua precião e exatidão. Atualmente, um dos maiores desafios frente a esta técnica instrumental consiste na eliminação ou minimização das interferências espectrais e não-espectrais. A massas atômicas e moleculares normalmente são expressas em termos da escala de massa atômica, baseada em isótopo específico do carbono. Na espectrometria de massas, estamos frequentemente interessados na massa exata de isótopos específicos de um elemento ou massa exata de compostos contendo um conjunto específico de isótopos. A massa atômica química de um elemento na natureza é dada pela soma das massas exatas de cada isótopo ponderado pela sua abundância. A massa molecular média ou química é a soma das massas atômicas para os átomos que aparecem na fórmula do composto. A ICP-MS resultou do acoplamento do plasma como fonte geradora de íons com o espectrômetro de massa. O plasma é uma fonte de íons, enquanto a espectrometria de massa oferece elevada sensibilidade. Este acoplamento resultou em uma poderosa ferramenta analítica, reunindo características positivas, tal como elevada sensibilidade com a rapidez e versatilidade da análise. É possível utilizar a espectrometria de massas tanto em análise qualitativa para identificação do espectro de massas, como em análise quantitativa por gerar sinais analíticos proporcionais à concentração das espécies presentes na amostra. A espectrometria de massas é, essencialmente, uma técnica de ionização e fragmentação de moléculas que são, depois, separadas em fase gasosa para obter um espectro de acordo com a razão massa/carga (m/z) dos fragmentos. Como a maior parte dos íons adquire carga unitária, as massas permitem a identificação do composto original. O espectro de massas consiste em um gráfico que relaciona o valor de massa/carga com a intensidade que fornece os pesos atômicos e moleculares e informações estruturais. Enquanto o ICP opera a pressão atmosférica, o espectrômetro de massas requer alto vácuo, então para garantir que os íons produzidos no plasma sejam transportados para o analisador de massas é necessário o uso de uma interface entre o plsma e o analisador de massas. Geralmente, a interface, consiste em dois cones metálicos que apresentam um pequeno orifício para permitir a passagem dos íons, denominados cone de amostragem e skimmer. A ponta do cone de amostragem fica imerso na zona analítica do plasma, e a sua finalidade é amostrar uma quantidade representativa de íons do plasma. O segundo cone, chamado de “skimmer”, é mais pontiagudo do que o cone de amostragem e possui o orifício central com diâmetro um pouco menor (< 1 mm) sua função é amostrar preferencialmente íons da fase gasosa e reduzir a carga de gás que entra no sistema de vácuo do dispositivo analisador de massa. Ambos cones são geralmente produzidos por Ni ou Pt, e para protegê-los da elevada temperatura do plasma, o bloco que serve de suporte para os mesmos é refrigerado com água. 17 2. Instrumentação para ICP-MS A Figura 1 ilustra os principais componentes do espectrômetro de massas. Figura 1: Esquema das partes que constituem o espectômetro de massas. De maneira geral, a amostra é introduzida pelo sistema de introdução de amostra, onde uma pequena quantidade de amostra alcança a fonte de ionização (plasma), onde os componentes da amostra são convertidos em íons gasosos pela temperatura do plasma. A saida de fonte de íon é uma corrente de íons gasosos positivos (mais comum) ou negativos. Estes íons são acelerados para o analisador de massas, que então os separa de acordo com suas razões m/z. Os íons que apresentam valores de m/z específicos são coletados e convertidos em sinal elétrico. O processador de sinal processa os resultados para produzir o escpectro de massas. A seguir serão discutidos alguns aspectos relacionados ao sistema de introdução de amostra, fonte de íons, os tipos de analisadores demassas e o detector. Os espectrômetros de massa exigem um sistema de vácuo elaborado para manter uma baixa pressão, e assim garantir uma frequência relativamente baixa de colisões e preservar os íons e elétrons livres. 2.1 Sistema de introdução de amostra Apesar da possibilidade da introdução de amostras sólidas e gasosas no plasma, a forma mais comum ainda é a líquida. Esta, geralmente, é aspirada e introduzida no plasma na forma de aerossol, sendo que a maneira mais comum de produzi-lo é através da nebulização da solução. O aerossol pode ser produzido através do uso de um nebulizador convencional ou ultra-sônico. O nebulizador convencional produz gotículas de diversos tamanhos, o que pode causar efeitos indesejáveis, como por exemplo a flutuação do sinal analítico, aumento de ruído, uso ineficiente da amostra e mesmo efeitos de matriz (principalmente em relação a alteração da composição do solvente). Dessa forma, é recomendável o uso de câmaras de nebulização, onde as gotículas maiores, devido a sua massa maior colidem com a parede da câmara e acabam sendo drenadas do sistema para um frasco de resíduos. A gotículas com tamanhos uniformes e menores chegam ao plasma. O sistema de nebulização deve satisfazer dois requisitos fundamentais; produzir um aerossol estável e trabalhar com uma vazão de gás compatível com a do ICP. Em ICP-MS, quando a nebulização pneumática é empregada, o argônio gera e transporta o aerossol para o plasma. Além dos nebulizadores pneumáticos tradicionais, o aerossol pode também ser produzido através de uma série de outros sistemas, dentre os quais podemos citar os nebulizadores ultrassônicos que proporcionam limites de detecção mais baixos do que os nebulizadores pneumáticos. Sistema de introdução da amostra Plasma Analisador de massas Detector Processador do sinal Leitura 18 Os íons formados no plasma são então introduzidos no analisador de massas, normalmente quadrupolar, onde eles são classificados de acordo com a razão massa-carga e detectados. 2.2 Plasma indutivamente acoplado Um plasma consiste em um gás quente e parcialmente ionizado, que apresenta elevadas concentrações de elétrons e íons. O plasma é produzido em um aparato conhecido por tocha, um tubo concêntrico de quartzo, através de uma bobina de Tesla e um campo de radiofrequência, oferece elevadas temperaturas (4000 a 10000 K), elevada estabilidade e o ambiente quimicamente inerte da atmosfera de argônio elimina a maioria das interferências que são encontradas nos instrumentos que usam a chama. O argônio é o gás utilizado para formar o plasma, uma vez que apresenta elevado potencial de ionização, custo acessível e pureza adequada ( maior que 99,0%). Como o argônio apresenta elevado potencial de ionização, ele consegue ionizar qualquer elemento que apresenta menor potencial de ionização que o argônio (maioria dos elementos). Nas aplicações de espectrometria de massa, o ICP serve tanto como atomizador quanto ionizador. Ainda é importante ressaltar que embora seja possível utilizar a tocha em duas vistas: axial (horizontal) ou na vista radial, a vista axial é a mais frequentemente usada em ICP-MS. 2.3 Analisador O analisador de massas deve distinguir diferenças de massas diminutas e simultaneamente permitir a passagem de um número suficiente de íons para produzir correntes de íons mensuráveis. Neste capítulo serão abordados dois tipos de analisadores de massa: o analisador quadrupolar de massas e o analisador de tempo de voo. 2.3.1 Analisadores Quadrupolares de Massas O quadrupolo é um dos separadores de massa mais comuns em decorrência de seu baixo custo. Ele consiste em quatro hastes metálicas parelalas sobre as quais se aplicam um potencial elétrico constante e um potencial oscilante de radiofrequência. O campo elétrico deflete os íons em trajetórias complexas conforme estes migram da câmara de ionização na direção do detector, permitindo apenas que íonscom determinada razão massa/carga alcancem o detector. Os íons que apresentam razão massa/carga diferente da razão massa/carga de interesse, colidem com as hastes e se perdem antes de alcançar o detector. Com a variação rápida dos potenciais elétricos, selecionamos íons com massas diferentes para atingir o detector. 2.3.2 Analisadores de Tempo de Voo De modo geral, o funcionamento do espectrômetro de massa por tempo de voo (TOF) baseia-se na medida do tempo que um íon leva para atravessar a fonte de íons e chegar até o detector. Idealmente, todos os íons devem ter a mesma energia cinética (½ mv2) onde m é a massa do íon e v é a velocidade. Se os íons possuem a mesma energia cinética, mas massas diferentes, os íons mais leves se deslocarão 19 mais rapidamente que os íons mais pesados. Em sua forma mais simples, podemos considerar o TOF como um tubo reto, comprido e evacuado, com a fonte de íons de um lado e o detector do outro lado. Os íons ejetados pela fonte se deslocam em direção ao detector em ordem crescente de massas, pois os íons mais leves se deslocam mais rapidamente. 2.4 Detectores Os transdutores mais comuns em ICP-MS são os multiplicadores de elétrons. O dinodo discreto multiplicador de elétrons é constituído por dinodos justapostos e opera de forma similar a um transdutor fotomultiplicador para a radiação ultravioleta/visível. A colisão de um íon positivo no primeiro dinodo libera de 2 a 3 elétrons secundários. Os mesmos são, por sua vez acelerados e direcionados aos dinodos seguintes dispostos adequadamente, resultando no estagio final uma corrente amplificada da ordem de 106 elétrons que é lida por um eletrômetro. 3. Interferências Uma interferência é um efeito que faz com que o analito tenha comportamento diferente na amostra e nas soluções de calibração, quando a concentração permanece constante. Os íons formados no plasma podem recombinar-se entre si, com íons provenientes da atmosfera e/ou do próprio argônio gerando íons poliatômicos, e com isso produzindo espécies poliatômicas, podendo ocasionar interferências. Como em outras técnicas espectrométricas, existem dois tipos de interferências em ICP-MS, as interferências não espectrais e as espectrais. 3.1 Não espectrais As interferências não espectrais podem ser identificadas através de uma mudança na inclinação da curva analítica (perda de sensibilidade) devido a presença da matriz. As interferências de transporte são as mais importantes, sendo causadas por mudanças nas propriedades físico-químicas da amostra (como, por exemplo: mudança de viscosidade, densidade, tensão superficial), devido à presença de sais dissolvidos e/ou reagentes os quais influenciam na taxa de introdução do analito no plasma. Todos esses efeitos podem ser minimizados e/ou eliminados através de diferentes estratégias como: avaliar o efeito matriz, diluir a amostra e utilizar de padrões internos para a correção da supressão e flutuação de sinal. 3.2 Espectrais As interferências espectrais são causadas por íons atômicos ou moleculares que apresentem a mesma massa nominal do analito, resultando em maiores contagens e um maior sinal para a razão m/z do analito de interesse. Dependendo da espécie interferente, pode se distinguir entre interferência isobárica, de íons poliatômicos, de íons íons de óxidos e íons de dupla carga. A interferência isobárica é evidenciada quando dois elementos apresentam a mesma razão massa/carga que outra espécie. Um exemplo é o íon 40Ca+ e 40Ar+ (diferentes elementos fornecem o mesmo valor de m/z). Pode-se obter uma interferência poliatômica quando os íons formados no plasma recombinam-se entre si, com íons provenientes da atmosfera e/ou do 20 próprio argônio gerando íons poliatômicos, e com isso produzindo espécies poliatômicas (mz < 80), podendo ocasionar interferências, ou seja, íons moleculares interferem na determinação dos isótopos de interesse, como por exemplo, 35Cl16O+ (m/z = 51) e 51V+ ou o íon molecular 40Ar16O+ (m/z = 56) interfere na análise de 56Fe+. A interferência que envolve íons de óxidos também consiste em um tipo de interferência espectral no ICP-MS. Os íons de óxidos podem ser provenientes ou da dissociação incompleta da amostra ou da recombinação dos íons no plasma. O controle da resposta de óxidos em uma análise é determinado pela razão MO+ /M+, frequentemente expresso em porcentagem. Na realidade, esta razão é uma aproximação da razão correta MO+ /(MO+ + M+ ), e na maioria dos casos não deve exceder 3%. A formação de óxidos também está relacionada com a quantidade de vapor de água transportada, uma vez que o analito poderá ser atomizado em um excesso de átomos de O. Buscar soluções para a eliminação os óxidos é fundamental, pois a razão m/z de um óxido pode se sobrepor a uma dada razão m/z de um analito, como por exemplo, os cinco isótopos naturais de Ti: 46Ti 47Ti, 48Ti, 49Ti, 50Ti, cujos óxidos correspondentes (16O) se sobrepõem às massas dos respectivos analitos: 62Ni, 63Cu, 64Zn, 65Cu e 66Zn. Utilizar câmeras de nebulização resfreiada e nebulizadores ultra-sônicos pode ajudar a minimizar esse tipo de interferência. Outro tipo de interferência espectral consiste nos íons com dupla carga, relacionadas à formação de íons com carga dupla, provocando uma supressão no sinal relativo àquele elemento segundo sua relação massa/carga, podendo provocar também uma interferência espectral na determinação de outro analito onde haja coincidência dessa razão. Por exemplo, o íon 138Ba2+, interfere na análise do íon 69Ga+, uma vez que a razão massa/carga para os dois íons é 69. As interferências espectrais podem ser minimizadas aplicando equações matemáticas, utilizando espectrômetros de alta resolução e uso de sistemas alternativos para introidução da amostra 4. Aplicações da espectrometria de massa com plasma indutivamente acoplado Como aplicações da técnica instrumental de ICP-MS pode-se citar: a determinação de metais em amostras alimentares, ambientais e cosméticos; a quantificação de isótopos radioativos como o 129I e verificar contaminação de áreas específicas; na área forense para identificar resíduos de disparo de arma de fogo; a determinação de elementos traço presente em amostras de combustíveis e a quantificação de elementos traços em fluidos biológicos. 5. Considerações finais A técnica de ICP-MS tem como principal vantagem à possibilidade de análise multielementar (e isotópica) seqüencial rápida, aliada à alta sensibilidade. Utiliza como fonte de ionização um plasma de argônio de energia alta (até 1,5 kW), e como detector, um espectrômetro de massa de alta ou baixa resolução (geralmente o quadrupolo). Cerca de 90% dos elementos da tabela periódica podem ser determinados, com limites de detecção na ordem de 0,001 a 0,1 µg L-1. A técnica instrumental de ICP-Ms é amplamente aplicada, tanto em laboratórios de pesquisa como laboratórios de ensaio rotineiro, em áreas como: a nuclear, 21 química, ambiental, análise clínica, geologia, geoquímica, e controle de materiais (p.ex., na indústria de semicondutores). Embora a técnica apresente grandes vantagens, a presença de interferências espectrais e não espectrais representa um desafio para os analistas. Para obter resultados adequados e confiáveis, as interferências devem ser eliminadas ou minimizadas e o instrumento deve ser devidamente calibrado. Para calibração pode-se utilizar o método do padrão externo (quando não há efeito matriz)), o método da adição-padrão (quando há efeito matriz) ou pelo método do padrão interno (quando é desejável controlar variáveis instrumentais) e pelo método da diluição isotópica (consiste em adicionar à amostra uma quantidade conhecida de um dos isótopos enriquecidos do analito e a quantificação é feita através da determinação da “nova” razão isotópica). 6. Referências bibliobráficas VOGEL, A. Análise Química Quantitativa, 6ª ed., LTC Editora, Rio de Janeiro,2002. 448p. HARRIS D. C. Explorando a Química Analítica, 4ª ed., LTC Editora, Rio de Janeiro, 2011. 568p. SKOOG, D. A.; West, D. M.; Holler F. J.; Crouch, S. R. Fundamentos De Química Analítica. Trad. 8. Ed. São Paulo: Thomson Learning, 2006. DIAS, S. L. P; VAGHETTI, J. C. P.; LIMA, E. C.; BRASIL, J. de L. PAVAN, F. A. Química Analítica: Teoria e prática essenciais. Porto Alegre: Bookman, 2016. 22 Apresentação do tema A química analítica quantitativa compreende o conjunto de ensaios, métodos e técnicas que possibilitam avaliar as quantidades relativas dos componentes em uma determinada amostra. De maneira geral, os métodos analíticos quantitativos podem ser divididos em dois grandes grupos: os métodos clássicos de análise ou métodos instrumentais. O acompanhamento quantitativo das reações químicas consiste a base dos métodos clássicos de análise química. Na análise volumétrica (chamada também análise titrimétrica ou titulométrica) a substância a ser determinada é tratada com um reagente adequado que é adicionado na forma de uma solução padronizada, sendo que o volume gasto de solução padrão com concentração exata conhecida é o dado primordial da análise. As reações volumétricas podem ser classificadas como reações de neutralização, complexação, precipitação ou reações de oxirredução. Dentre as vantagens dos métodos volumétricos, pode-se citar a boa precisão, a rapidez na análise quando envolve poucas amostras, o custo da análise é baixo (pois envolve vidrarias e reagentes líquidos) e podem ser automatizados. Por outro lado, uma das desvantagens da análise volumétrica é que, normalmente, os métodos são menos sensíveis comparado aos métodos instrumentais, por exemplo, que utilizam a interação da radiação eletromagnética com analito para fazer a medida da concentração,e outra desvantagem é quando se tem um grande número de amostras, nestes casos os métodos instrumentais também são mais vantajosos. A análise volumétrica é amplamente utilizada para a determinação de ácidos, bases, oxidantes, redutores, íons metálicos, proteínas e muitas outras espécies. Em processos industriais, tais como no tratamento superficial de peças metálicas (por exemplo, industrias de peças para implementos agrícolas) e na produção de sanentes (como na produção de detergentes e desinfetantes). Neste capítulo, os métodos de análise volumétrica serão classificados de acordo com o tipo de reação entre analito e titulante, serão abordados os princípios da volumetria, as etapas que estão envolvidas na volumetria. 23 1. FUNDAMENTOS DA ANÁLISE VOLUMÉTRICA Apesar do constante desenvolvimento científico e tecnológico, as reações por via úmida ainda desempenham um papel importantíssimo para a química analítica moderna. Em alguns campos da química, as análises volumétricas são insubstituíveis, devido, dentre outros fatores: sua simplicidade, praticidade (equipamentos não requerem recalibração constante), precisão (0,1%) superior a maior parte dos métodos instrumentais, excelente custo/benefício para um pequeno número de amostras, possibilidade de automatização dos ensaios e utilização na calibração ou validação de análises de rotina. Contudo, existem algumas desvantagens associadas à análise volumétrica clássica. A baixa sensibilidade e seletividade, quando comparados aos métodos instrumentais, são os mais importantes. Outro ponto negativo é a péssima relação custo/benefício quando empregada a um grande número de determinações semelhantes. Contudo, o balanço geral entre vantagens e desvantagens ainda é positivo e também existe campo considerável para a aplicação da análise volumétrica na química analítica quantitativa. Em linhas gerais, a análise volumétrica ou análise titrimétrica determina o volume de uma solução reagente, cuja concentração é conhecida com exatidão (solução padrão ou solução padronizada), que é necessário para reagir quantitativamente com um volume determinado da solução que contém a substância a ser analisada (analito). Na volumetria, a solução do reagente cuja concentração é conhecida é denominada titulante, já a solução formada pelo analito é denominada titulado. O processo pelo qual a solução padrão é adicionada à solução de um analito até que a reação entre as duas soluções seja completa é chamado titulação (por isso a técnida também pode ser chamada de titulometria). As soluções padrão ou soluções referência são formadas por substâncias conhecidas como padrão primários e padrões secundários. Tais substâncias dão origem às chamadas soluções padrão primário e solução padrão secundários. Um padrão primário é formado por uma substância de elevada pureza (≥ 99,9% de pureza) de forma que sua solução possa ser preparada por pesagem direta e 24 diluição até o volume adequado, estável (não deve se decompor quando estocado em estado puro, não deve ser higroscópico), deve possuir uma massa molecular relativamente alta para minimizar os erros de pesagem e deve apresentar elevada solubilidade nas condições de trabalho. Entretanto, poucas substâncias apresentam estes requisitos e estão disponíveis comercialmente. Como exemplos de padrões primários podemos citar: dicromato de potássio, o biftalato de potássio e o oxalato de sódio. Dentro deste contexto, substâncias de menor pureza podem ser utilizados no lugar de um padrão primário desde que tenham sua pureza cuidadosamente estabelecida por análise química ou por comparação por titulação contra um padrão primário. Esses compostos são conhecidos como padrões secundários e são bastante empregados como material referência na análise volumétrica. Como exemplos de padrões secundários pode-se citar as soluções de HCl, NaOH, KMnO4, entre outras. Para que uma reação de titulação possa ocorrer dentro de um alto grau de confiança, é necessário que ela possua elevadas constantes de velocidade e equilíbrio, ou seja, cada adição de titulante deve ser consumida rapidamente e completamente pelo analito até o completo consumo do analito. Além disso, a reação deve possuir uma estequiometria conhecida e reprodutível. O completo consumo do analito ou ponto de equivalência da titulação ocorre quando a quantidade de titulante adicionado é quimicamente equivalente ao titulado, ou seja, quando o número de mols do titulante é igual ao número de mols do analito. No entanto, o ponto de equivalência de uma titulação é um resultado ideal (teórico), ou seja, não podemos determiná-lo esperimentalmente em uma titulação. O que realmente medimos é o ponto final da titulação. O ponto final é indicado pela mudança súbita de uma propriedade física da solução, por exemplo, mudança de cor, formação de um precipitado, mudança do valor de pH, pela diferença de potencial e pela formação de um complexo metálico. Para verificar essa mudança súbita nas propriedades, podemos empregar equipamentos específicos como um potenciômetro ou, gelamente substâncias indicadoras. Um indicador é um composto com uma propriedade física (normalmente a cor) que muda abruptadamente nas proximidades do ponto de equivalência. Essa mudança é causada pelo consumo ou pelo aparecimento de um excesso de titulante e acorrem na região do ponto de equivalência. Portanto, essas perturbações podem causar alterações na aparência do indicador, tais como, aparecimento ou desaparecimento da cor, alteração de cor, aparecimento ou desaparecimento de turbidez, e assim indicar ao analista quando é alcançado o ponto final da titulação. A diferença entre o ponto final e o ponto de equivalência é representada pelo erro de titulação e depende dentre outras coisas do indicador escolhido em cada titulação, de acordo com o tipo de reação que está envolvida. A análise volumétrica envolve uma vasta gama de procedimentos analíticos quantitativos, dentre eles podemos destacar a volumetria de precipitação, a volumetria de neutralização,volumetria de complexação e volumetria de oxidação- redução. A seguir serão apresentadas as principais características de cada uma destas técnicas volumétricas. Quanto maiores forem as concentrações das soluções-padrões, maior será a inflexão da curva de titulação. 25 2. TÉCNICAS VOLUMÉTRICAS 2.1 Volumetria de neutralização Os equilíbrios ácidos/bases sempre estão presentes na química e em outras ciências tais como a bioquímica, química ambiental, ciências biológicas, entre outras. Esses equilíbrios são normalmente descritos por reações em soluções aquosas e ocorrem devido à reação de neutralização decorrente da titulação de íons hidroxônio (H3O+) com íons hidroxila (OH-) ou vice-versa. Tais íons podem estar presentes em titulações com ácidos fortes e fracos, bases fortes e fracas e sais de ácidos e bases fracas. Os íons H3O+ e OH- necessários para uma reação de neutralização são oriundos dos analitos e reagentes padrões disponíveis na titulação. Na prática, as soluções padrões usadas nas titulações de neutralização são formadas por ácidos ou bases fortes, uma vez que essas substâncias reagem de forma mais completa com o analito em relação aos ácidos e bases fracas e seus sais, consequentemente, fornecem pontos finais mais nítidos. Os principais ácidos fortes empregados como soluções padrões em titulação de neutralização são os ácidos clorídrico (HCl) e sulfúrico (H2SO4). O ácido nítrico é pouco utilizado em titulações de neutralização devido às suas propriedades oxidantes, que podem promover reações indesejáveis, os ácidos perclórico e sulfúrico também são oxidantes e apresentam elevado grau de periculosidade, no entanto, em soluções diluídas tais características são minimizadas. Já as bases mais empregadas são hidróxidos de sódio (NaOH) e potássio (KOH). A escolha do indicador mais adequado para uma titulação ácido/base depende do valor de pH do ponto do ponto final da reação de neutralização em questão e de sua correlação com faixa de pH do indicador. Um indicador ácido-base consiste em uma substância ácida ou base e seu par conjugado e atualmente uma vasta quantidade de substâncias indicadoras estão disponíveis comercialmente. Em geral, escolhemos um indicador cuja faixa de transição se sobreponha, o mais próximo possível, ao intervalo onde se verifica a região de maior inflexão da curva de titulação, ou seja, calculamos o ponto de equivalência teórico e escolhemos a substância indicadora que apresenta o ponto de viragem em ±1 unidade de pH. O equilíbrio químico dos processos de neutralização pode ser visualizado pelo estudo das mudanças de concentração do íon hidrogênio durante a titulação. O gráfico de pH contra o volume gasto de titulante é conhecido como curva de titulação, e a partir dessa curva é possível determinar as quantidades dos componentes ácidos e básicos em uma mistura e os valores de pH. Alcalimetria e acidimetria são termos bastante utilizados na volumetria de neutralização. A titulação de espécies químicas ácidas utilizando uma solução padrão alcalina também é conhecida por alcalimetria, já a titulação de espécies químicas básicas com uma solução padrão ácidas também é conhecida por acidimetria. 26 2.1.1 Titulação de ácido forte com base forte Para construir a curva hipotética (teórica) para a titulação de um ácido forte com uma base forte são necessários três tipos de cálculo, sendo que cada cálculo corresponde a um estágio distinto da titulação: Antes do ponto de equivalência (pré-equivalência): o pH é calculado através da concentração do ácido que não reagiu. No ponto de equivalência: o pH é neutro, pois reagem quantidades exatamente equivalentes de ácido forte e base forte. O pH é definido pela dissociação da água (Kw). Após o ponto de equivalência (pós-equivalência): 2.1.2 Titulação de ácido fraco com base forte Quatro tipos de cálculos são necessários para computar valores de uma curva de titulação de um ácido fraco: Antes da adição da base forte: a solução contém somente o ácido fraco, e o pH é calculado a partir da concentração do soluto e sua constante de dissociação. Entre o início da titulação e o ponto de equivalência teremos soluções tampões (ou seja, soluções constituídas pelo ácido fraco e o sal conjugado ou a solução formada pela base fraca e o sal conjugado, sendo que essas soluções caracterizam-se por resistir a variação do pH da solução). No ponto que compreende a metade do ponto de equivalência o valor do pH é igual ao pKa do ácido. Antes do ponto de equivalência: a solução consiste em uma série de tampões. O pH de cada tampão pode ser calculado a partir da concentração da base conjugada e a concentração resudual do ácido que permanece. Utiliza-se a equação de Henderson-Hasselbach. No ponto de equivalência: a solução possui apenas o conjugado do ácido fraco que está sendo titulado (um sal), e o pH é calculado a partir da concentração do sal. Neste caso, como a base é forte, o pH será maior que 7. Após o ponto de equivalência: o pH da solução é determinado pelo excesso de base forte adicionado. Então calcula-se primeiro pOH e depois o pH. 2.1.3 Titulação de base fraca com ácido forte Similarmente ao que vimos anteriormente, para computar valores de uma curva de titulação de uma base fraca são necessários quatro tipos de cálculos: Antes da adição do ácido forte: a solução contém somente a base fraca, e o pH é calculado a partir da concentração do soluto e sua constante de dissociação. Metade do ponto de equivalência: pOH = pKb 27 Antes do ponto de equivalência: a solução consiste em uma série de tampões. O pH de cada tampão pode ser calculado a partir da concentração do ácido conjugado e a concentração residual da base que permanece. Utiliza-se a equação de Henderson-Hasselbach. No ponto de equivalência: a solução possui apenas o conjugado da base fraca que está sendo titulado (um sal), e o pH é calculado a partir da concentração do sal. Neste caso como o ácido é forte, o pH será menor que 7. Após o ponto de equivalência: o pH da solução é determinado pelo excesso de ácido forte adicionado. Antes do início da titulação Antes do PE No PE Após o PE Ácido forte + Base forte pH = -log [ácido] pH = -log do analito que não reagiu H3O+ + OH- H2O pH = -log do excesso de titulante Ácido fraco + Base forte HA + H2O ↔ H3O+ + A- (usa o ka) HA + OH- ↔ A- + H2O (Eq. Henderson- Hasselbach) A- + H2O ↔ HA + OH- (Usa Kb) pH = -log da concentração em excesso de titulante Ácido forte + Base fraca B + H2O ↔ HB+ + OH- (usa Kb) B + H3O+ ↔ BH+ + H2O (Eq. Henderson- Hasselbach) BH+ + H2O ↔ B + H3O+ (Usa o Ka) pH = -log da concentração em excesso de titulante 2.1.4 Titulação de ácidos polipróticos Ácidos polipróticos são espécies químicas que apresentam mais de um hidrogênio ionizável por molécula. Os cálculos de pH durante o processo de titulação ente o ácido poliprótico e uma base forte são semelhantes aos processos de titulação envolvendo ácidos monopróticos fracos com bases forte. Uma característica nas curva de titulação de espécies polipróticas são mais de um ponto de inflexão, ou seja, nas curvas de titulação são verificadas regiões de inflexão que indicam o ponto estequiométrico e regiões de tamponamento onde o pH sofre pequenas variações. Um exemplo bem conhecido de ácido poliprótico é o ácido fosfórico, que apresenta três hidrogênios ionizáveis, portanto evidencia-se três pontos de equivalência na curva de titulação, Para esse ácido, como para outros ácidos polipróticos Ka1 > Ka2 > Ka3. A seguir encontram-se as reações para o H3PO4. H3PO4 + H2O ↔ H2PO4- + H3O+ 𝐾𝑎1 = [𝐻3𝑂+][𝐻2𝑃𝑂4−] [𝐻3𝑃𝑂4] H2PO4- + H2O ↔ HPO42- + H3O+ 𝐾𝑎2 = [𝐻3𝑂+][𝐻𝑃𝑂42−] [𝐻2𝑃𝑂4−] HPO42- + H2O ↔ PO43- + H3O+ 𝐾𝑎3 = [𝐻3𝑂+][𝑃𝑂43−][𝐻𝑃𝑂42−] 2.2 Volumetria de precipitação Os métodos volumétricos que baseiam-se na formação de um composto pouco solúvel são chamados de titulação de precipitação. Essas titulações são 28 utilizadas principalmente para a determinação de haletos e alguns íons metálicos. Para que uma reação de precipitação possa ser usada, é preciso que ela se processe em tempo relativamente curto e que o composto formado seja suficientemente insolúvel. Entretanto, a maneira mais conveniente para se saber se uma dada titulação é viável ou não, ou mesmo para se avaliar o erro cometido pelo uso de um determinado indicador, é através da curva de titulação. Os indicadores usados nas titulações de precipitação são usualmente específicos, isto é, reagem seletivamente com o titulante para formar uma substância colorida. As curvas de titulação para reações de precipitação são calculadas de maneira análoga às curvas de titulação para reações de neutralização, sendo a única diferença que o produto de solubilidade do precipitado (Kps) é substituído pela constante do produto iônico da água (Kw). O gráfico que demonstra a curva de titulação para reações de precipitação, consistem em pAg versus volume de titulante adicionado. Para a determinação de cloreto em uma amostra de soro fisiológico, o cloreto atua como titulado e uma solução padronizada de nitrato de prata atua como titulante: Antes do início da adição de titulante: o pAg é indeterminado pois ainda não foi adicionado os íons Ag+ na solução do analito. Antes do ponto de equivalência: o pAg é determinado levando-se em consideração a reação estequiométrica. Inicialmente calculamos a concentração de Cl- remanescente na solução do analito (número de mol de Cl- - numero de mol de Ag+ adicionado dividido pelo volume total). E depois aplicamos Kps = [Ag+].[Cl], encontamos o valor de [Ag+] , posteriormente o valor de pAg. No ponto de equivalência: a única fonte de Ag+ e Cl- é o precipitado formado, então as quantidades de íons cloreto e íons prata são iguais, utiliza-se kps=[Ag+]2 e depois calcula-se pAg. Após o ponto de equivalência: o pAg é determinado pela espécie que estiver em excesso. A espécie em excesso após o ponto de equivalência será o AgNO3. Então calculamos a concentração em excesso de Ag+ e dividimos pelo volume total da solução. E logo é possível calcular pAg. Quando se tem misturas de dois íons, o precipitado menos solúvel será formado primeiro. Se os dois produtos de solubilidade são suficientemente diferentes, a primeira precipitação será quase completa antes da segunda precipitação iniciar. Considere a titulação com AgNO3 de uma solução contendo KI e KCl. O AgI irá precipitar primeiro porque o seu kps é menor, e o Cl - permanece em solução. Quando a precipitação de I- está quase completa, a concentração de Ag+ aumenta abruptamente e o AgCl começa a precipitar. Por fim, quando o Cl- é consumido, ocorre nova mudança abrupta de [Ag+]. Quantitativamente, esperamos ver duas inflexões na curva de titulação: a primeira corresponde ao ponto de equivalência de AgI e a segunda ao ponto de equivalência de AgCl. 29 2.2.1 Métodos argentimétricos Dentre os métodos volumétricos de precipitação, os mais importantes são os que empregam solução padrão de nitrato de prata. Estes são chamados métodos argentimétricos e podem ser classificados em: método de Mohr é caracterizado pela formação de um sólido colorido; o método de Volhard forma um complexo solúvel e o método de Fajans utiliza um indicador de adsorção para mudança da coloração. No método de Mohr, o cromato de potássio serve como indicador para a titulação argentimétrica de íons cloreto, brometo e cianeto. Os íons prata reagem com o cromato para formar o precipitado na coloração vermelho tijolo de cromato de prata na região do ponto de equivalência. O método de Mohr é raramente utilizado nos dias atuais porque o Cr(VI) é carcinogênico. Um ponto muito importante na execução do método de Mohr é o ajuste do pH, pois em pH inferior a 6,5 há formação do ácido crômico (devido ao deslocamento do equilíbrio químico) e em pH superior a 10,5 a prata precipita na forma de Ag2O. O método de Fajans utiliza um indicador de adsorção, um composto orgânico que adsorve na ou dessorve da superfície do sólido em uma titulação de precipitação. Indicadores de adsorção comuns são normalmente corantes aniônicos, que são atraídos pelas partículas carregada positivamente. Como o indicador reage com a superfície, são escolhidas partículas menores para conseguir maior área superficial. O indicador fica adsorvido devido as cargas, uma camada de Ag+ é formada na superfície do precipitado e o indicador (carga negativa, como a fenoftaleína) se liga a camada de íons positivos. Quando o indicador não está adsorvido a solução apresenta uma cor e no ponto de equivalência, quando o indicador fica adsorvido percebe-se uma alteração na cor. O método de Volhard (titulação de retorno ou titulação indireta) é um dos métodos argentimétricos mais comuns. Este método consiste em precipitar primeiro os íons cloreto com excesso de íon prata conhecido, formando AgCl, e o excesso de íons prata é titulado com uma solução padrão de tiocianato na presença de Fe(III). Após toda Ag+ reagir com o tiocianato, o tiocianato passa a reagir com o Fe(III), formando um complexo vermelho, que indica o ponto final. No método de volhard o pH da solução deve ser ácido, para evitar a precipitação do Fe(III) na forma de hidróxido de ferro (III). 2.3 Volumetria de oxidação-redução Reações químicas que ocorrem devido a transferência de elétrons entre espécies, são conhecidas por reação de oxidação-redução, reação de óxido- redução ou simplesmente reação redox. É importante ressaltar que a espécie que cede o(s) elétron(s)ns sofre oxidação e atua como agente redudor, por outro lado, a espécie que recebe a quantidadede elétrons cedidas sofre o fenômeno de redução e atua como agente oxidante. Os processos de redução e oxidação ocorrem quase 30 simultaneamente, ou seja, primeiro uma espécie doa os elétrons e na sequência a outra espécie recebe esses elétrons. Uma titulação redox se baseia em uma reação de oxirredução entre analito e o titulante. Neste tipo de volumetria os indicadores variam de coloração conforme a diferença de potencial padrão entre titulante e titulado. Nas tutulações redox, primeiramente o titulante reage com a amostra e depois com o indicador, apresentando assim uma variação nas propriedades físicas da solução e indicando o ponto final. Para isso acontecer, o titulante deve ser mais oxidante ou redutor possível, então o titulante reage primeiro com quem tem o menor potencial padrão, assim o E° analito deve ser sempre maior que E° do indicador. Quanto maior for a diferença entre os valores do potencial padrão do titulante e o potencial padrão padrão do analito, maior será a inflexão no ponto de equivalência de uma curva de titulação. Uma titulação redox é normalmente possível de ser realizada se a diferença entre analito e o titulante for ≥ 0,2 V. Entretanto, o ponto final das titulações redox não costuma ser muito acentuado e é bem mais facilmente detectedo utilizando a potenciometria. Se a diferença dos potenciais for ≥ 0,4 V, então um indicador redox geralmente apresenta ponto final satisfatório. Algumas vezes, antes de uma titulação, é necessário fazer um ajuste do estado de oxidação de um analito, por exemplo quando há Fe2+ e Fe3+, primeiro devemos converter todo o Fe2+ para Fe3+. As curvas de titulação (variação do potencial-padrão x o volume de titulante adicionado) para reações redox apresentam três regiões distintas e para determinar o potencial em cada região da curva utiliza-se a equação de Nernst: 𝐸𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎 = 𝐸° − 0,05916 𝑛 log [𝑅𝑒𝑑] [𝑂𝑥] (para 25 °C) ou 𝐸𝑐é𝑙𝑢𝑙𝑎 = 𝐸° − 𝑅𝑇 𝑛𝐹 ln [𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜𝑠] [𝑅𝑒𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠] Considere a titulação
Compartilhar